Восстановление кислорода является ключевым этапом функционирования любых водородных топливных элементов и требует применения специального катализатора. В современных топливных системах данного класса в качестве катализатора используется платина или её сплавы, что весьма существенно увеличивает себестоимость производства. Учёные из университета Суррея разработали и успешно протестировали прототип нового неметаллического катализатора, предназначенного для использования в топливных элементах. Этот тип катализатора представляет собой перспективное решение для создания доступных, высокоэффективных и экологически чистых источников энергии для электромобилей, беспилотных летательных аппаратов и других приложений. Полученные в ходе испытаний образцы нового катализатора продемонстрировали плотность генерируемой мощности, достигающую 703 мВт на квадратный сантиметр.

Это значение значительно превосходит показатели лучших аналогов, чья эффективность не превышает 50 мВт на квадратный сантиметр. Новый катализатор изготавливается из доступных и распространённых материалов, что делает его производство экономически выгодным.

Его основой является глинистый минерал под названием галлуазит (Halloysite), входящая в состав катализатора мочевина является источником азота, а фурфурол (органическое соединение, которое может быть получено путем переработки некоторых видов сельскохозяйственных отходов) является источником углерода. Все эти компоненты перемалываются в тонкий порошок, которым покрывается поверхность активного компонента ячейки топливного элемента.

Справка

Топливный элемент – это устройство, которое использует источник топлива, например водород, и окислитель для создания электричества в результате электрохимического процесса.

Использование химической энергии водорода или других видов топлива обеспечивает экологически чистое и эффективное производство электроэнергии.
Если топливом является водород, то единственными продуктами будут электричество, вода и тепло.

Топливные элементы уникальны с точки зрения разнообразия их потенциального применения:

• широкий спектр топлива и сырья;
• обеспечение электроэнергией большие системы и маленькие;
• на транспорте;
• в промышленных/коммерческих/жилых зданиях;
• долгосрочное хранение энергии в обратимых системах.

Отличие аккумуляторных батарей от ТЭ:

• для поддержания химической реакции ТЭ требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха);
• в аккумуляторной батарее химическая энергия обычно поступает от веществ, которые уже присутствуют в батарее.

ТЭ могут непрерывно вырабатывать электроэнергию до тех пор, пока подаются топливо и кислород.

Преимущества ТЭ

ТЭ имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями сжигания, которые в настоящее время используются на многих электростанциях и транспортных средствах:

• более высокий КПД, чем двигатели внутреннего сгорания (ДВС);
• могут преобразовывать химическую энергию топлива непосредственно в электрическую энергию с КПД, превышающим 60%;
• имеют более низкие или 0 выбросы по сравнению с ДВС;
• водородные ТЭ выделяют только воду, решая критические климатические проблемы:
  • отсутствуют выбросы углекислого газа,
  • отсутствуют загрязнители воздуха, которые создают смог и вызывают проблемы со здоровьем в месте эксплуатации;
• работают бесшумно, поскольку в них мало движущихся частей.

Конструкция ТЭ:

• вещество – электролит, которое обычно определяет тип топливного элемента и может быть изготовлено из ряда веществ, таких как гидроксид калия, карбонаты солей и фосфорная кислота;
• используемое топливо. Наиболее распространенным топливом является водород;
• анодный катализатор, обычно мелкодисперсный порошок платины, расщепляет топливо на электроны и ионы;
• катодный катализатор, часто никелевый, преобразует ионы в отработанные химические вещества, причем наиболее распространенным типом отходов является вода;
• газодиффузионные слои, предназначенные для противодействия окислению.

Как работают ТЭ

ТЭ работают как аккумуляторы, но они не разряжаются и не требуют подзарядки.
ТЭ производят электроэнергию и тепло, пока подается топливо. ТЭ состоит из 2 электродов – отрицательного электрода ( анода) и положительного электрода (катода), зажатых вокруг электролита:

• на анод подается топливо, например водород, а на катод – воздух;
• в водородном ТЭ катализатор на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые идут к катоду разными путями;
• электроны проходят через внешнюю цепь, создавая поток электричества;
• протоны мигрируют через электролит к катоду, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду и тепло.

Элементы PEMFC обычно производят меньше оксидов азота, чем элементы ТОТЭ:

• они работают при более низких температурах;
• используют водород в качестве топлива;
• ограничивают диффузию азота в анод через протонообменную мембрану, которая образует NOx.

Энергоэффективность ТЭ обычно составляет 40 – 60%, но если отходящее тепло улавливается в схеме когенерации, может быть получен КПД до 85%.

Типы топливных элементов

Операции всех ТЭ одинаковы, были разработаны специальные разновидности, позволяющие использовать преимущества различных электролитов и удовлетворять различные потребности применения.
Топливо и заряженные частицы, мигрирующие через электролит, могут быть разными, но принцип тот же:

• окисление происходит на аноде, а восстановление – на катоде;
• эти 2 реакции связаны заряженными частицами, которые мигрируют через электролит, и электронами, которые текут через внешнюю цепь.

Топливные элементы с полимерно – электролитной мембраной

ТЭ с полимерной электролитной мембраной (PEM) также называются тТЭ с протонообменной мембраной:

• используют:
  • в качестве электролита – протонпроводящую полимерную мембрану,
  • в качестве топлива – водород;
• работают при относительно низких температурах и могут быстро изменять свою выходную мощность в соответствии с меняющимися потребностями в мощности;
• является лучшим вариантом для питания автомобилей;
• можно использовать для стационарного производства электроэнергии;
• недостатки:
  • из-за низкой рабочей температуры – не могут напрямую использовать углеводородное топливо (природный газ, СПГ, этанол),
  • ископаемое топливо должно быть преобразовано в водород в установке для риформинга топлива, чтобы его можно было использовать в ТЭ PEM.

ТЭ с прямым метанолом

ТЭ с прямым метанолом (DMFC) аналогичен элементу PEM тем, что в качестве электролита в нем используется полимерная мембрана, проводящая протоны:

• но метанол используется непосредственно на аноде, что устраняет необходимость в установке для риформингатоплива;
• хороший вариант для питания портативных электронных устройств (портативные компьютеры и зарядные устройства), поскольку метанол обеспечивает более высокую плотность энергии, чем водород.

Щелочные ТЭ

• щелочные ТЭ используют:
  • щелочной электролит, такой как гидроксид калия;
  • или щелочную мембрану, которая проводит ионы гидроксида, а не протоны;
• ТЭ Бэкона с середины 1960^х гг. использовались в космических программах Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в космических миссиях, но теперь находят новые применения, например, в портативных источниках энергии.

ТЭ на фосфорной кислоте

• используют электролит на основе фосфорной кислоты, который проводит протоны, удерживаемые внутри пористой матрицы;
• работают при температуре около 200°C;
• используются в модулях мощностью 400 кВт и выше, для стационарного производства электроэнергии в гостиницах, больницах, продуктовых магазинах и офисных зданиях, где также можно использовать отходящее тепло;
• фосфорная кислота также может быть зафиксирована в полимерных мембранах, а ТЭ, использующие эти мембраны, представляют интерес для различного стационарного энергетического применения.

ТЭ с расплавленным карбонатом (MCFC)

• используется расплавленная карбонатная соль, зафиксированная в пористой матрице, которая проводит ионы карбоната в качестве электролита;
• применение: в различных стационарных установках среднего и крупного масштаба, где их высокая эффективность обеспечивает чистую экономию энергии;
• работают при высоких температурах (около 600°C), что позволяет им самостоятельно реформировать такие виды топлива, как природный газ и биогаз./li>

ТЭ с расплавленным карбонатом

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) используют тонкий слой керамики в качестве твердого электролита, который проводит оксидные ионы:

• разрабатываются для использования в различных стационарных силовых установках, а также во вспомогательных силовых устройствах для тяжелых грузовиков;
• работают при температуре 700–1000 °C с электролитами на основе диоксида циркония и при температуре всего 500 °C с электролитами на основе церия;
• могут осуществлять внутреннее преобразование природного газа и биогаза;
• могут быть объединены с газовой турбиной для производства электроэнергии, эффективность достигает 75%.

Комбинированные теплоэнергетические ТЭ

• помимо электроэнергии, ТЭ производят тепло;
• тепло можно использовать для отопления, горячее водоснабжение;
• представляют интерес для энергоснабжения домов и зданий, где достижим общий КПД до 90%;
• экономит энергию и снижает выбросы парниковых газов.

Регенеративные или обратимые ТЭ

• особый класс ТЭ;
• производит электричество из водорода и кислорода, но его можно реверсировать и питать электричеством для производства водорода и кислорода;
• эта новая технология может обеспечить:
  • хранение избыточной энергии, вырабатываемой периодически возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), такими как ветряные (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС),
  • высвобождать эту энергию в периоды низкого уровня генерации электроэнергии.

НИОКР

НИОКР ныне сосредоточены:

• на разработке недорогих компонентов ТЭ и баланса установки;
• на передовых подходах к крупносерийному производству для снижения общей стоимости системы.

Платина представляет собой один из крупнейших компонентов стоимости ТЭ с полимерным электролитом и мембраной, работающего на водороде, поэтому особое внимание уделяется подходам, которые:

• повысят активность и использование, а также снизят содержание современных катализаторов на основе металлов платиновой группы и их сплавов;
• позволят использовать катализаторы, не содержащие металов платиновой группы;
• обеспечат долгосрочное применение ТЭ.

Разработка инновационных материалов и стратегия интеграции:

• электролиты ионообменных мембран с повышенной эффективностью и долговечностью при меньших затратах;
• совершенствование мембранно-электродных сборок (МЭБ) с высокой удельной мощностью за счет интеграции современных компонентов МЭБ;
• моделирование для понимания конструкции системы и условий эксплуатации;
• разработку стеков с высоким КПД при номинальной мощности и высокопроизводительными компонентами противовыбросового оборудования, такими как компоненты управления воздухом с низкими паразитными потерями.

Перспективные цели по сроку службы системы ТЭ в реальных условиях эксплуатации:

• 8000 час для легковых автомобилей;
• 30000 час для тяжелых грузовиков;
• 80000 час для распределенных энергосистем.
• реальные условия эксплуатации включают запуск и остановку, замораживание и оттаивание, наличие примесей в топливе и воздухе, а также влажность и циклы динамических нагрузок, которые приводят к нагрузке на химическую и механическую стабильность материалов и компонентов системы топливных элементов.

Исследования и разработки направлены на выявление и понимание механизмов деградации ТЭ, а также на разработку материалов и стратегий для смягчения их последствий.